2.2 Измерение длины волны рентгеновскихлучей

Для использования рентгеновского излучения в практике, необходимо знать его спектральный состав и факторы, под влиянием которых он изменяется.

Спектральный состав всякого излучения, например, видимого света, изучается с помощью специальных приборов - спектрометров. Однако использовать оптический спектрометр для анализа рентгеновского излучения оказалось невозможным. Чрезвычайно малые отклонения рентгеновских лучей при переходе из одной среды в другую, не позволяют использовать для этих целей стеклянные призмы, так как коэффициент преломления для рентгеновских лучей близок к единице.

Задача измерения длины волны рентгеновского излучения была решена лишь после того, как М. Лауэ обнаружил дифракцию рентгеновских лучей на монокристаллах каменной соли. Именно монокристаллы стали в дальнейшем естественной дифракционной решеткой для рентгеновских лучей.

В 1915 году отец и сын Брэгги использовали монокристалл каменной соли для измерения длины волны рентгеновского излучения. Прежде всего они теоретически нашли условие отражения рентгеновских лучей от атомных плоскостей кристалла. Представив кристалл как пакет взаимно параллельных атомных плоскостей и направив на поверхность этого пакета параллельный пучок рентгеновских лучей, они установили условие отражения в виде зависимости:

, (2.1)

где d – межплоскостное расстояние;

- угол, под которым падает на плоскость рентгеновский луч;

- длина волны излучения;

n - целое число.

Одновременно с Брэггами аналогичную формулу получил и московский кристаллограф Вульф. Поэтому данная формула (2.1) носит название формулы Вульфа – Брэгга. Вывод этой формулы будет сделан позднее.

Как видно из соотношения 2.1, длина волны может быть определена для условия отражения излучения под углом (зеркальное отражение от кристалла, имеющего известное межплоскостное расстояние – d). Для измерения Брэгги взяли монокристалл каменной соли NaCl, у которого можно было рассчитать величину d для условия параллельности поверхности скола и пакета атомных плоскостей.

Как было известно из кристаллографии, кристаллографическая решетка каменной соли может быть представлена как гранецентрированная кубическая внешнего вида, представленного на рис 2.5.

Рисунок 2.5 – Строение атомной решетки NaCl.

В структуре решетки NaCl половину узлов занимают атомы натрия N_Na, а другую половину N_Cl – атомы хлора. Кристаллическая решетка состоит из 8 кубиков c параметром - d. Поэтому можно записать вес такого кубика в виде:

(2.2)

где - плотность каменной соли (2,18 г/см³);

и - атомные веса натрия и хлора (23 и 35,46 соответственно);

- атомный вес атома водорода (г).

Подставив все вышеназванные величины, в формулу 2.2 и решив уравнение относительно d, Брэгги получили d2,814.10⁸см.

Затем плоский монокристалл каменной соли был помещен в специальный рентгеновский спектрометр Брэгга, схема устройства которого приведена на рис.2.6.

Рисунок 2.6 – Схема устройства спектрометра Брэгга.

Здесь тонкий пучок рентгеновских лучей проходит через щелевое отверстие в кольцевую камеру и падает на поверхность кристалла NaCl, Кристалл был повернут по отношению к падающему лучу на угол . Отраженный от кристалла рентгеновский луч попадает в точку М и засвечивает фотопленку, укрепленную по внутренней поверхности кольцевой камеры спектрометра, была проявлена, в результате чего получили так называемую спектрограмму. На ней видны (Рис. 2.6, б) пятна М и

Р, то есть области почернения фотопленки, связанные с облучением данных участков.

По спектрограмме можно измерить угол отражения по соотношению (в радианах):

,

где l - расстояние от пятна Р до пятна М на спектрограмме;

R - радиус камеры спектрометра.

Подставляя найденное значение в формулу Вульфа - Брэгга и учитывая порядок отражения (число n), рассчитывают длину волны рентгеновского излучения. Первые эксперименты по измерению длины волны рентгеновского излучения показали на его сложный спектральный состав, но главный вывод исследования гласил, что длина волны излучения того же порядка, что и межплоскостные расстояния в кристаллах.

Длину волны измеряют в ангстремах Å, (IÅ=см), в килоиксах (1кх = I,00202Å) и нанометрах( I нм=10Å). Введение килоикса как единицы измерения длины волны было связано с уточнением (1947 год) величины по результатам особо точных анализов плотности этого вещества и атомных весов химических элементов, образующих каменную соль.